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通用电路板自动故障诊断系统的设计与实现

作者：郭栋梁 刘新妹 殷俊龄 来源：《中国测试》2016年第07期

摘 要：针对传统电路板测试的局限性与单一性以及日趋灵活的电路板测试需求，基于矩阵开关技术、自动测试技术和虚拟仪器技术，设计并实现一种通用电路板自动故障诊断系统。该系统基于PCI总线技术所构建的通用硬件框架以及利用LabVIEW实现的上位机软件，实现通用电路板的直流电平测试、静态参数测试以及动态参数测试等，完成测量结果的对比分析、保存以及故障定位。实验证明：该系统能够快速准确地完成通用电路板的测试任务。系统搭建完成后，进行7次独立重复试验，测试结果显示：该系统测试数据的最大误差为±0.3%，同时具有性价比高、通用性好、可靠性高等优点，并且可以大大提高测试效率。

关键词：自动故障诊断系统；数据采集；矩阵开关；通用电路板接口；LabVIEW 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）07-0112-05

Abstract： This is an automatic fault diagnosis system for common circuit board based on matrix switch， automatic test and virtual instrument technologies， designed according to the limitations and unity of traditional circuit board test and an increasingly flexible test tendency. The system

realizes DC level test， static and dynamic parameter tests of common circuit board， and performs comparative analysis and preservation of measurement results and fault location by the help of common hardware testing framework built by PCI bus technology and upper computer software achieved by LabVIEW. Experiment results have proven that the system is able to perform common circuit board test fast and accurately. There were seven independent repeated trials after the system was established. Results show that the maximum error of test data is ±0.3%. Together with advantages such as high cost performance， universality and reliability， the test efficiency is greatly raised. Keywords： automatic fault diagnosis system； data acquisition； matrix switch； common interface of circuit board； LabVIEW 0 引 言

随着电路板制作工艺的发展以及对电路功能要求的提升，对电路板的自动故障检测提出了更高的要求。虽然现在的自动测试系统取得一定的进展，但是从国内的发展现状来看，自动测试系统在实际应用方面仍然存在不小的问题，进而阻碍了自动测试系统的进一步发展[1]。首先，国内的自动测试系统特点是种类多、性能杂、专用性强，缺乏一定的通用性。为此，测试人员需要不断学习各种自动测试系统，才能进行完整、正确的测试工作。所以，国内自动测试系统缺乏通用性，增加测试人员的学习和工作量，不利于自动测试系统的发展[2]。近年来，美国军方研制出的可重用公共测试资源的通用自动测试系统，并逐步形成陆军的IFTE、海军的CASS、海军陆战队的TETS和电子战设备标准测试系统JSECST等4大标准测试系统[3]。

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美国NI公司经过多年的发展，也逐步形成了规模，提供高可靠性和高度自动化的自动测试平台。但这些自动测试系统都存在着寿命周期内使用、维护费用较高，应用范围有限、适应能力不足等缺点。因此本文提出了一种基于PCI总线的通用电路板自动故障诊断系统，该系统搭建成本低、搭建速度快，设计了适用于大部分电路板的电路板接口模块，具有多样化可扩展性和可复用性，实现了对通用电路板的高速自动故障诊断。 1 硬件系统的设计

通用电路板自动故障诊断系统的硬件主要由工控机、以FPGA为主控芯片的高速数据采集卡、以FPGA为主控芯片的高速矩阵开关以及电路板硬件接口模块组成。其系统硬件框图如图1所示。

工控机通过PCI总线与高速数据采集卡、矩阵开关卡相连，向板卡发送命令以及接收数据并处理。本系统的电路板接口模块中，设计了移动针+固定针床的电路板硬件接口，设计并采用以FPGA为主控芯片的矩阵开关高速切换测试通道，并且通过自主设计的以FPGA为主控芯片的高速数据采集卡完成数据采集、存储，最后上位机软件完成对数据的分析、处理以及故障定位，从而实现了通用电路板的高速自动故障诊断。 1.1 数据采集卡的设计

为了完成对通用电路板的全面故障诊断，直流电平参数、静态参数以及动态参数就成为了判断电路板上元器件好坏的必要参考值。这些待测信号主要有3类：电源信号、脉冲数字信号、电平变换信号。此外还有一些频率较高的模拟信号，如音视频信号，此类信号一般不作为关键测试信号，若需测试时可按高频信号进行采集。其中电源信号和电平变换信号均可视为直流信号来采集[4]。

为了采集上述信号，该系统中数据采集卡的设计采用了性价比较高的中规模FPGA：Cyclone EP1C3T144C8N为主控芯片，高速AD采集芯片MAX100、电平转换芯片74HC245、数据存储芯片IDT7205及PCI通信芯片PCI9054为外围芯片来完成模拟信号的采集。这样，它就可以在数据采集的同时进行数据处理，大大加快了信息的处理速率[5-6]。数据采集卡硬件框图如图2所示。

数据采集卡开始工作时，首先对FPGA初始化，FPGA内部逻辑对SDRAM 赋初值，然后将从高速AD芯片MAX100采样的数据输入到FPGA当中，经过其内部 FIFO 缓冲后，再将数据存储到SDRAM 中。数据传输过程中，工控机通过桥接芯片PCI9054向FPGA发出控制命令，FPGA逻辑控制模块响应PC端发出的命令，通过FPGA逻辑控制模块将SDRAM中的数据存储读入到PCI_FIFO中缓存；将PCI_FIFO中的数据通过PCI9054传送到计算机中[7-8]。在FIFO中的数据读取完之后，FPGA再次发出读取命令，直至将SDRAM中的数据全部读取到上位机。

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该设计中为了降低采集信号的误码率，得到平滑的原始采集波形，添加了电平转换芯片74HC245来增加IO驱动能力，添加了采样时间控制模块，实现包括1M、2M、4M、8M、16M、32M的采样深度，从而实现了信号的单次采样和连续采样而不失真。 1.2 矩阵开关电路的设计

矩阵开关电路是整个自动测试系统信息交换的中枢，它可通过控制开关系统将电源、信号源等激励信号自动切换到被测对象的任意输入端口，同时将被测对象输出端口的信号自动切换到相应的测试仪器、仪表，并且输入、输出回波损耗较少，具有极低的信号穿透、串扰的特点[9-11]。

矩阵开关电路的响应时间直接关系到自动故障诊断系统的工作效率。而继电器又是矩阵开关电路中的核心机械动作部件，因此在选取继电器时，综合考虑了承载电压、切换时间、机械寿命和通用性等性能之后，最终选取松下公司的TX2-5 V信号继电器。TX2-5 V是一款性能优秀的信号继电器，它的触点负载为2A30 V，线路阻抗仅为50 mΩ，额定电压为5 V，机械寿命长达109回，大大方便了矩阵开关的电路设计。

在一般矩阵开关的电路设计中，由于需要对继电器进行输出控制的同时，还需要对继电器进行驱动，这增加了电路的复杂程度。在该矩阵开关的电路设计中选用了功率逻辑器件——TPIC6B595。该器件为一种功率输出并且具有地址锁存和输出控制功能的移位寄存器，与一般移位寄存器不同的是，它的负载电压为50 V，在漏极与源极间设置了续流二极管，因此可实现对信号继电器的直接驱动。

矩阵开关电路的主控芯片采用高性价比的中规模FPGA：Cyclone EP1C3T144C8N。该芯片共144个引脚，最大可用I/O引脚为104个。FPGA的主要功能是完成矩阵开关电路的接口初始化设定、实现地址译码和锁存。矩阵开关电路硬件框图如图3所示。

图中工控机通过桥接芯片PCI9054与FPGA进行通信，FPGA芯片上电后首先完成接口初始化设定，打开所有继电器。然后主程序进入等待状态，按照上位机的指令进行工作。FPGA的I/O端口所接收的信号只有在时钟信号的驱动下才会改变输出信号，在每次时钟信号的上升沿到来时改变I/O状态，I/O端口输出的高低电平经TPIC6B595译码、锁存后，驱动信号继电器，执行通、断动作。 1.3 电路板接口模块的设计

在过去传统的电路板检测中，往往只用到两个手持探针进行肉眼观察来进行故障检测。随着电子技术，自动化等技术的飞速提高，自动测试系统逐渐具有了模块化和标准化的特点，并且能够快速完成测试数据的高准确度传输[12]，在这些自动测试系统中为了达到自动测试并尽可能减少人工干预的目的，往往使用针床夹具，然而针床夹具由于其不通用的限制性，尽管经